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高精尖创新中心研究人员在顶级物理期刊发表论文
作者:梁丹| 发表时间:21-05-06| 阅读次数:

近日,美国物理联合会(American Institute of Physics)旗下的国际顶级物理期刊Applied Physics Reviews》IF17.05)发表北京林木分子设计育种高精尖创新中心研究人员的最近研究成果这篇题为 “Statistical Mechanics of Clock Gene Networks Underlying Circadian Rhythms 的论文被选为该刊标志性论文(featured article)。该项研究获得美国多家科学新闻媒体的报道与跟踪,在国际上引起广泛关注。

受地球自转的影响,自然界所有生物的行为都按特定的周期和规律运行。控制这一运行规律的“时钟”,即生物钟,能指定生物每天从白天到黑夜的24小时循环节律。

在上世纪八十年代中期,三位美国科学家各自独立地从果蝇体内克隆出一种周期基因(Per基因),并提取出由Per基因编码产生的Per蛋白。Per蛋白与Per基因形成了一个抑制反馈的环路,从而形成一个连续而循环的24小时节律。这一科学发现奠定了这三位科学家荣获2017年生理学医学诺贝尔奖的基础。

在这三位科学家之后,一大批国际知名学者投入了这项工作。美籍日裔科学家高桥(Joseph Takahashi)首次发现哺乳动物的生物钟基因,从而比较完整地解释了不同生物存在的生物钟现象以及调控机理。

然而,越越多的实验证据显示,生物钟的遗传机理远比人们所认识的要复杂。首先,大多数生物钟基因是保守的,也就是说从果蝇发现的生物钟基因,不能简单地推论到人类,也不能简单地推论到植物。其次,同一生物不同器官,甚至细胞之间存在不同的生物钟,比如,人类大脑的生物钟基因与肝脏生物钟基因迥异,它们行使各自不同而又需要相互协调的生物学功能。而且,当一个生物被另一个生物寄生时,寄主与寄生物之间的生物钟存在共振现象,影响寄主的发病进程另外,更重要的,存在在生物体内的生物钟基因不是一两个,也不是几个、几十个,而可能是成百上千个,这些基因之间存在复杂的互作网络。显然,这些问题仅用传统的基于节律异常的突变体基因克隆方法及全基因测序方法是远远不能被解决的

高精尖创新中心研究人员发明一个高度创新的统计物理方法,破解了上述难题。新方法整合了多学科元素,借助进化博弈论(evolutionary game theory)思想,解析基因之间互作模式与强度,利用发育模理论(developmental modularity theory)在多维统计聚类方法指导下,将横跨多种器官的基因网络分解不同模块,在基因网络(fine-grained genetic network)内精准定位各个生物钟基因对生物节律的信号传导路径,从而由面到点、又由点到面地系统解析影响生物钟的遗传调控机理,将生物钟基因定位工作有力地推向更高的层次。

新方法打破传统的正向遗传学(forward genetics)方法的局限性,创立了以常见的遗传作图群体或全基因组关联分析(GWAS)群体为基础的反向遗传(reverse genetics)方法,从而能有效地回答生物钟基因的非保守性问题,是将生物钟分子机理研究与数量遗传学相交叉、相融合的关键突破,具有广泛的普适性与实用性。

在接受美国物理联合会资深记者Douglas Gross采访时,论文责任作者邬荣领教授说,“新方法能发现早起(early bird)与夜猫子(night owl)基因,通过对这两类基因功能的了解,我们能将早起基因转变为夜猫子基因,从而可以让那些必须从事夜晚工作的早起人能很好地适应夜晚环境,而不影响健康。”

邬荣领进一步指出,“该项目研究,对提高农业与林业产量也会发挥重要作用。通过从基因角度改变农作物和林木生长的节律,人们可以培育出生长期长、生物量集中分配到目标器官的优良品系。

邬荣领最后指出,“总而言之,现代生物学具有广阔的前程,要达到我们想要的目标,需要多学科的科研人员打破学术壁垒,融合多种手段攻克同一个问题。统计遗传学与统计物理学相结合,将会引发新一轮基因组研究的飞跃。”

我校林木分子设计育种高精尖创新中心青年研究员孙丽丹教授为论文第一作者,计算生物学中心博士生董昂与宾夕法尼亚州立大学Christopher Griffin副教授参与了这项工作。论文是由通讯作者邬荣领教授向《Applied Physics Reviews》提出申请,经编委会审批同意后才递交的。

 

论文链接:https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0029993

新闻报道链接:

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/05/210504112602.htm

https://www.inverse.com/mind-body/a-new-way-to-map-circadian-clock-genes

 

 

 

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